溫室基質栽培水肥一體化施肥系統的構建

黃語燕 劉善文 陳永快 劉現 鄭鴻藝 王濤

摘要：結合作物智能化施肥發展的需求，設計一個通過蠕動泵吸取肥料母液，使肥液按設定比例與水混合成設置的濃度，并通過控制肥液的EC值、pH值和肥液進入灌溉管道的灌溉時間來實現水肥一體化自動施肥的系統。本設計的水肥一體化施肥系統采用可編程控制器（PLC）作為控制器，觸摸屏作為監控設備，能根據不同作物需求設置施肥、灌溉策略，且能夠實現分區域灌溉，不同區域水肥參數可單獨設置，自動完成水肥一體化灌溉。它能夠快速、精確地完成施肥，配好1桶150 L的肥液，約需90 s。將該系統運用到溫室基質水果黃瓜栽培中，利用回水系統，大約能節水19.4%，水果黃瓜平均產量為40 761 kg/hm2。

關鍵詞：水肥一體化;灌溉;自動施肥;蠕動泵;PLC

中圖分類號： S24文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0278-04

收稿日期：2018-10-15

基金項目：福建省發改委五新項目（編號：[2015]489號、閩發改投資[2018]206號）;福建省科技廳公益專項（項目：2016R1015-2）;福建省農業科學院科技創新團隊（編號：STIT2017-2-12）;福建省農業科學院數字農業科技服務團隊（編號：kjfw22）;福建省農業科學院院管A類項目（編號：A2017-36）;福州市科技計劃項目（編號：榕科[2017]347號）。

作者簡介：黃語燕（1987—），女，福建福州人，碩士研究生，研究實習員，主要從事農業電氣化與自動化研究。E-mail：644621043@qq.com。

通信作者：陳永快，碩士研究生，助理研究員，主要從事設施農業研究。E-mail：86467897@qq.com。

我國植物施肥往往“大水大肥”，水肥施用方式為復合肥隨水沖施，導致養分投入比例不合理，水肥利用效率較低[1]。針對這些問題，有必要對水肥一體化營養液灌溉技術進行深入研究，開發出響應快速、精度高的水肥一體化施肥系統。水肥一體化技術是在壓力作用下將肥料溶液注入灌溉管道，根據設定的灌溉參數和施肥參數，為作物提供其生長發育所需的水分和養分，能有效地減少人力，提高水肥利用率，達到增產增收的效果[2-4]。

隨著水肥一體化技術的成熟，設施產業發達國家，如荷蘭、以色列等，均已經普及推廣水肥一體化技術，并形成產品系列，如以色列NETAFIM公司研發的Netajet系列、Eldar-Shany公司研制的Frtimix系列，荷蘭PRIVA公司研發的Nutri-line系列等[5]。以色列在農業生產中使用水肥一體化技術，節約了40%～60%的灌溉用水和30%～50%的肥料[6]。當前，我國也已經開展了水肥一體化技術引進與研究，吸肥系統主要采用文丘里吸肥器，如李加念等設計了文丘里變量施肥裝置，并采用脈沖寬度調制（PWM）技術調節施肥量[7];袁洪波等利用文丘里混合器設計了溫室水肥一體化營養液調控系統[8];李友麗等利用文丘里混合器設計了有機栽培水肥一體化系統[9]。文丘里施肥裝置具有調節壓力范圍有限，對主管流量穩定性要求較高，系統壓力損失大，且只能吸取液體等缺點[10]。

本研究所用系統采用蠕動泵作為吸肥原件，相對于其他吸肥器件，蠕動泵具有易于清洗和清潔，適用于液體、氣體、兩相流以及高黏流體，無密封件、無閥門，控制精度高，流量適應范圍廣等優點。系統能夠將肥液按設定比例與水混合成設置的濃度，并借助灌溉管道和滴管、滴箭等設備施給植物，能夠執行比較精確的施肥過程。該系統可應用于大田作物栽培、溫室土壤栽培以及溫室無土基質栽培模式。根據無土基質栽培模式營養液可回收的特點，本研究所用系統還另外設計了回液池、過濾器等營養液循環系統，將其應用在溫室基質栽培系統中，能有效地提高水肥利用率。

1水肥一體化系統硬件結構及工作原理

1.1系統硬件結構

如圖1所示，水肥一體化施肥系統主要由配肥系統、灌溉系統、營養液循環系統等三大部分組成。配肥系統主要包括蓄水池、進水水泵、進水電磁閥、混肥桶、混肥桶液位傳感器、母液桶、蠕動泵、可溶性鹽濃度（EC）及pH值傳感器、肥液出水水泵等組成。灌溉系統借助灌溉管道和滴管、 滴箭等設備施水肥給植物，主要由灌溉總電磁閥、壓力表、流量表、灌溉管道、分區灌溉電磁閥、栽培區清水灌溉管道、清水灌溉電磁閥等組成。營養液循環系統主要由回收管道、回收池、浮球開關、回收池水泵、過濾器、紫外線消毒裝置等組成。

1.2系統工作原理

配肥系統是水肥一體化系統的核心，本系統中的混肥桶營養液調控采用基于EC值和pH值的營養液調控方式，是使肥料母液和水充分混合，并達到預設EC值、pH值的動態過程。營養液制備過程為：打開進水電磁閥，使水注入到混肥桶中，與此同時，母液桶里的各種高濃度肥液由蠕動泵注入到混肥桶中，肥液出水水泵從混肥桶抽出肥液到肥液回流支管后再回流至混肥桶，安裝在支管上的EC值、pH值傳感器檢測管道中的肥液濃度，并將檢測得到的濃度值反饋到控制系統與設定值進行比較，根據信號差值通過控制帶動蠕動泵轉動的步進電機轉速調節施肥量。當檢測到的EC值、pH值達到設定值時，打開灌溉總電磁閥和相應的分區灌溉電磁閥，使配置完成的肥液進入灌溉系統。營養液的制備過程是一個實時的動態過程，即連續不斷地向混肥桶內加入水和肥料母液，并在營養液制備的同時，通過肥液出水水泵和開啟灌溉電磁閥向外提供制備完成的營養液，實現隨時制備、隨時灌溉。

灌溉系統采用分區灌溉方式，當肥液配制完成時，按照系統設置的灌溉方式，控制分區各個電磁閥的開閉以及開閉的時間，肥液借助灌溉管道和滴箭、滴頭等設備施給植物。此外，當植物只需要灌溉清水時，打開清水灌溉電磁閥和相應的分區電磁閥完成清水灌溉。

在營養液循環系統中，當液位到達一定高度時，回收池內的回收液經回收池水泵、過濾器及紫外線消毒后注入到混肥桶中，直到回收池液位達到一定的低液位。

2系統控制框圖及控制原理

2.1系統控制框圖

控制系統采用臺達DVP-ES2系列可編程控制器（PLC）作為控制器，維控LEVI777A作為人機交互界面觸摸屏。如圖2所示，設計模擬量輸入有EC值、pH值、液位、壓力、流量。EC值、pH值的變化控制蠕動施肥泵的運轉速度，壓力如果超出管道承受范圍則暫停設備并報警。設計數字量輸出有清水灌溉電磁閥、進水電磁閥、肥液出水水泵、灌溉總電磁閥、灌溉分區電磁閥、蠕動泵、報警器等。

2.2系統控制內容及原理

水肥一體化施肥系統的配肥系統必須完成2種控制，即各種母液配比控制和施肥量控制。采用可調速步進電機控制蠕動泵轉速的方式，即可較準確地控制施肥量和各通道的母液配比。由于混肥桶中的肥液混合具有在線性，因此肥液混合系統具有實時、延遲和不確定等特性，系統的滯后和慣性較大，所以肥液混合系統采用模糊控制法進行控制。系統采用負反饋閉環控制原理來實現模糊控制。首先，將輸入量、控制規則、決策以及判決等模塊均模糊化，輸入量模糊化后即對應于一定等級的隸屬度。然后，制定輸入變量、輸出控制變量及其論域對應不同等級模糊集中的各個語言變量的隸屬度。根據實際經驗總結得出，模糊控制規則是用語言變量形式表示的模糊條件語句，而起控制作用的模糊集則是以模糊規則為基礎的模糊決策。最后，用模糊判決方法得到輸出控制變量論域中的等級數，再經過輸出精確化，輸出控制指令。

灌溉部分可設置定時灌溉、周期灌溉、手動灌溉等3種灌溉方式。定時灌溉即指定在某一天的某段時間內灌溉，在一天中設定6組開始灌溉時間，設定每段時間灌溉量，可以選擇灌溉的閥門號。周期灌溉即指定在一段時間內的循環灌溉，設定周期灌溉時間段內周期灌溉的灌溉時間和間隔時間，可以選擇灌溉的閥門號。手動灌溉只需設定灌溉量，使用手動灌溉按鈕開始和結束灌溉。

3系統軟件設計

3.1系統配肥軟件設計

如圖3所示，開始配肥時，蠕動泵以預先設定的流速將肥液注入混肥桶內，同時將實時采集的EC值與設定值進行比較，判斷是否該增加或減小蠕動泵的流速，增加或減小肥料流速是通過改變帶動蠕動泵的步進電機轉速實現的，即改變輸入步進電機控制器信號的脈沖頻率，必要時還可隨時停止加入肥料。同理，實時測定營養液的pH值，如果測得的pH值高于目標值，開啟酸液蠕動泵加入酸液，調整pH值。

3.2人機界面軟件設計

人機界面可以從PLC中實時采集數據并發出控制命令、監控系統運行狀態，同時可生成報表、歷史數據庫等。HMI實現的主要功能有：（1）顯示功能。顯示測量值、設備運行狀態;（2）參數設置功能。灌溉時間、灌溉量、配肥參數等的設置;（3）數據存儲。在系統運行時，歷史數據庫自動按設定頻率記錄數據，實現現場數據的存儲;（4）歷史數據查詢。按照時間段查詢歷史數據;（5）實時曲線。將EC值、pH值、液位值用曲線的形式實時表示出來;（6）事件記錄。對用戶登陸退出、控制輸入輸出、數據上下限報警事件進行記錄存儲。

4系統實物及測試

4.1系統試驗

如圖4所示，試驗在福建省農業科學院示范農場玻璃溫室中進行。溫室長64 m、寬55 m，占地面積0.352 hm2。大棚內設有內遮陽系統、外遮陽系統、濕簾、外風機、頂開窗、噴霧等設備，并配套本水肥一體化施肥系統。

2018年5月19日在溫室內定植夏之光水果黃瓜幼苗（5月2日播種），2018年8月3日采收完畢。采用基質無土栽培方式進行栽培，選擇條狀的椰糠基質帶作為栽培基質，一條基質帶長1 m，可定植4株作物。溫室內全部種滿水果黃瓜，共定植8 870株。在種植期間對溫室內的灌溉用水量、回收水量、產量等情況進行統計，并驗證系統的穩定性及實用性。

4.2結果分析

經測試，水肥一體化系統控制精度高，配好1桶150 L的肥液，約需90 s，EC值控制精度為±0.2 mS/cm，pH值控制精度為±0.2。

每周混肥桶灌溉出水量及回收池的回收水量統計結果如表1所示，可以看出，混肥桶灌溉出水量合計為1 112.8 m3，回收池回水量合計為215.5 m3。經計算，本研究所栽培溫室黃瓜整個生長周期共需消耗水897.3 m3（混肥桶灌溉出水量-回水池回水量），利用回收系統，大約能節省灌溉出水量的19.4%。

由表2可知，溫室內水果黃瓜總產量為14 349 kg，平均產量為40 764 kg/hm2，單株總產量為1.62 kg。

5結論

本研究所用水肥一體化灌溉系統由人機交互界面觸摸屏（HMI）、可編程控制器（PLC）、蠕動泵、母液桶、混肥桶、傳感器、電磁閥、管件等組成，采用基于EC值和pH值的營養液調控方式，能夠按照用戶設置的灌溉施肥方式，通過機器上的一套線性可調速蠕動泵準確地配置出符合配方設定比例要求的營養液，并輸送到相應灌溉分區，每個栽培分區水肥配方可獨立設置。經測試，水肥一體化系統控制精度高，配好1桶150 L 的肥液，大概需要90 s，EC值控制精度為±0.2 mS/cm、pH值控制精度為±0.2。將該系統運用到溫室基質栽培區內，利用回水系統，大約能節水19.4%，水果黃瓜平均產量為40 761 kg/hm2。本系統具有較廣的灌溉流量和灌溉壓力適應范圍，能夠充分滿足大田作物栽培、溫室土壤栽培以及溫室無土基質栽培等場合的灌溉施肥需要。

參考文獻：

[1]江新蘭，楊邦杰，高萬林，等. 基于兩線解碼技術的水肥一體化云灌溉系統研究[J]. 農業機械學報，2016，47（增刊1）：267-272.

[2]魏全盛，谷利芬. 溫室智能水肥一體化微噴灌裝置設計[J]. 農機化研究，2017（9）：134-138.

[3]蔡長青，侯首印，張楨，等. 溫室智能灌溉水肥一體化監控系統[J]. 江蘇農業科學，2017，45（10）：164-166.

[4]孔海民，薛晨晨，邵偉強，等. 水肥一體化精量化施肥對春季設施小黃瓜產量的影響和效益分析[J]. 浙江農業科學，2016，57（3）：323-325.

[5]阮俊瑾，趙偉時，董晨，等. 球混式精準灌溉施肥系統的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31（增刊2）：131-136.

[6]李傳哲，許仙菊，馬洪波，等. 水肥一體化技術提高水肥利用效率研究進展[J]. 江蘇農業學報，2017，33（2）：469-475.

[7]李加念，洪添勝，馮瑞玨，等. 基于脈寬調制的文丘里變量施肥裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28（8）：105-110.

[8]袁洪波，李莉，王俊衡，等. 溫室水肥一體化營養液調控裝備設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32（8）：27-32.

[9]李友麗，李銀坤，郭文忠，等. 有機栽培水肥一體化系統設計與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47（增刊1）：273-279.

[10]李堅，劉云驥，王丹丹，等. 日光溫室小型水肥一體灌溉機設計及其控制模型的建立[J]. 節水灌溉，2017（4）：87-91.